2018, Vol. 38文章信息
- 黄雪娇, 王菲, 谷守宽, 袁婷, 金珂旭, 樊驰, 李振轮, 王正银.
- HUANG Xuejiao, WANG Fei, GU Shoukuan, YUAN Ting, JIN Kexu, FAN Chi, LI Zhenlun, WANG Zhengyin.
- 钾肥及与秸秆配施对紫色土作物产量和微生物群落结构的影响
- Effects of potassium sources and rates on crop yields and microbial community structure in a four-year experiment in purple soil
- 生态学报. 2018, 38(16): 5792-5799
- Acta Ecologica Sinica. 2018, 38(16): 5792-5799
- http://dx.doi.org/10.5846/stxb201707101245
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文章历史
- 收稿日期: 2017-07-10
- 网络出版日期: 2018-05-11
2. 重庆工业职业技术学院, 重庆 401120
2. Chongqing Industry Polytechnic College, Chongqing 401120, China
钾是作物生长必需的三大营养元素之一, 土壤钾素含量是影响作物产量和品质的重要因素[1-3]。土壤钾素亏缺已严重限制农业生产的持续发展[4], 而施用钾肥是补充土壤钾素不足、提高农作物产量和品质的重要途径[5]。但不同钾肥品种及施用量的产量效应有明显差异。Qiu等[6]研究表明, 在氮磷肥基础上配施不同量钾肥均可提高玉米产量, 在20年试验期间施用高量和低量钾肥较不施钾肥处理大幅度提高了玉米产量。高翔等[7]利用盆栽试验研究发现在氮磷肥基础上, 中量控释包膜氯化钾较普通化学钾肥和不施钾肥处理显著提高马铃薯产量。可见, 研究不同品种钾肥对作物的产量效应对于制定科学施肥方案具有重要参考价值。土壤微生物是土壤中物质循环的主要动力, 与土壤肥力有直接关系, 是衡量土壤质量的重要指标[8]。施肥可使土壤微生物群落结构发生显著变化[9], 而施肥模式是影响土壤微生物群落结构的一个重要因素[10]。不同施肥模式强烈影响土壤微生物的种群结构及数量, 进而可能影响植物品质及耕地质量[11-13]。
紫色土是广泛分布于四川盆地的典型土壤, 也是重庆市主要的农业耕作土壤之一。目前, 施肥对紫色土壤微生物的影响尚有报道, 主要涉及实验室条件下土壤微生物群落结构多样性的研究[14-15]。土壤微生物结构多样性可反映微生物群落的动态变化, 研究方法较多, 而不同方法反映土壤微生物多样性的情况不同, 其中磷脂脂肪酸法(phospholipid fatty acid, PLFA)具有操作简便、结果可靠、可定量描述土壤微生物群体的优点, 可有效分析土壤微生物群落结构的多样性。因此, 为弄清不同钾肥施用模式对紫色土作物产量和土壤微生物群落结构的影响规律, 本文采用定位试验和PLFA法, 研究单施化学钾肥、秸秆钾代替化肥钾施用及秸秆还田配施化学钾肥对重庆地区紫色土作物产量和土壤微生物群落结构的影响规律, 以期为该地区农业生产中合理施用钾肥提供科学的理论依据。
1 材料与方法 1.1 供试材料试验在重庆市北碚区柳荫镇麻柳河村二社进行。供试土壤为红棕紫泥, 其基本农化性状为:土壤pH 7.7, 有机质16.8 g/kg, 碱解氮144.9 mg/kg, 有效磷35.2 mg/kg, 速效钾63.3 mg/kg。供试莴笋品种为金香玉、白菜品种为华良早5号、甜糯玉米。供试肥料为尿素(N, 46%)、磷酸一铵(N, 11%;P2O5, 52%)、氯化钾(K2O, 60%)、玉米秸秆(全氮1.083%、全磷0.117%、全钾1.629%)。
1.2 试验设计试验设计7个处理, 分别为不施钾肥(CK), 每公顷75、150 kg和225 kg化学钾肥(分别记为K1、K2和K3), 75 kg和150 kg秸秆钾(分别记为M1和M2)和75 kg化学钾肥+ 75 kg秸秆钾(K1+M1)。试验处理重复3次, 小区面积27 m2。每个处理N、P2O5的施肥水平相同, 分别为300、150 kg/hm2, 其中氮肥作为追肥分3—4次施入, 磷肥和钾肥做基肥一次性施入。玉米秸秆用机器粉碎, 长度约为5—8 cm, 并于基肥施用前1—3 d翻压、整平土地。采用莴笋-白菜-甜玉米轮作方式, 共连续种植12季(茬)蔬菜(即莴笋、白菜和甜玉米各种植4季), 施肥方案一致。试验于2012年8月31日开始, 2016年7月30日结束。
1.3 样品采集连续4年按时采集莴笋、白菜和甜玉米, 并分别记录这3种作物每季的产量。2016年7月30日采集以上7组处理土样。采用5点法随机采集耕层0—20 cm土壤样品, 每个土样3次重复, 用4分法将土壤样品混匀后过2 mm筛, 用无菌塑料袋装入, 冷冻干燥后-70℃保存, 用于PLFA分析。
1.4 作物产量效应分析通过测定每种作物4年的平均产量及钾肥效益, 分析不同施钾处理对不同作物产量及钾肥效益的影响。平均产量计算公式:W=∑Wi/4;钾肥效益计算公式:H=△W/Bi; 式中, Wi为每年作物的产量(kg/hm2); W为作物4年的平均产量(kg/hm2); △W为增产量(kg/hm2); Bi为钾肥的施用量(kg/hm2)。
1.5 土壤微生物群落测定土壤微生物PLFA按修正的Bligh-Dyer法[16]提取后, 用Agilent 6850气相色谱仪(FID检测器)分析磷脂脂肪酸(PLFA)的成分。色谱条件为:HP-5柱(25.0 m×200 μm× 0.33 μm), 进样量1 μL, 分流比10:1, 载气(H2), 尾吹气高纯N2, 助燃气空气, 流速0.8 mL/min; 汽化室温度250℃、检测器温度300℃, 柱前压10.0 psi (1 psi = 6.895 kPa), 质谱全扫描范围30—600质荷比; 二阶程序柱温170℃(5 min)→ 260℃→310℃, 维持1.5 min。各成分脂肪酸通过MIDI Sherlock微生物鉴定系统(Version 6.1, MIDI, Inc., Newark, DE)进行, 标准品购于美国MIDI公司的C9—C20的脂肪酸甲酯, PLFA用C19:0做内标, 换算PLFA的绝对含量[17]。
细菌标记性脂肪酸有12:0, 13:0, 14:0, i14:0, 15:0, i15:0, a15:0, 16:0, i16:0, 16:12OH, 16:1ω5c, i17:0, a17:0, cy17:0, 18:0, cy19:0ω8c等, 其中i14:0, i15:0, a15:0, i16:0, i17:0, a17:0等代表革兰氏阳性细菌, 16:1ω5c, cy17:0, cy19:0ω8c等代表革兰氏阴性细菌; 真菌标记性脂肪酸有18:1ω9c;放线菌标记性脂肪酸有10Me17:0和10Me18:0。一般饱和脂肪酸以12:0, 13:0, 14:0, 16:0, 18:0等之和计; 单烯不饱和脂肪酸以16:12OH, 16:1ω5c, cy17:0等之和计。异构磷脂脂肪酸以i14:0, i15:0, i16:0, i17:0等之和计; 反异构磷脂脂肪酸以a15:0, a17:0等之和计[18-20]。
1.6 数据处理与分析采用Excel、SPSS Statistics 19.0对实验结果进行统计分析与作图。
2 结果与讨论 2.1 不同施钾处理对作物产量及钾肥效益的影响合理施用钾肥可有效提高作物产量, 但不同钾肥品种的产量效应存在明显差异[21]。表 1可知, 在施用氮磷肥基础上, 6个施钾处理均较无钾处理(CK)显著增加莴笋、白菜和甜玉米的4年平均产量。仅施化学钾肥处理中, 3种作物年平均产量随钾肥施用量增加而增大, 从钾肥用量看, 化肥K2(150 kg/hm2)水平是3种作物较为适宜的用量, 可使莴笋、白菜和甜玉米产量分别提高10.54%、28.05%和10.27%。利用秸秆钾替代化学钾处理时, 3种作物平均产量也呈现相同增长规律, 从钾肥用量看, M2(150 kg/hm2)水平是3种作物较为适宜的用量, 分别使莴笋、白菜、甜玉米产量提高13.89%、29.07%和10.31%。而秸秆还田与化学钾配施处理(K1+M1)的产量显著高于化学钾K1处理和秸秆M1处理, 与化学钾K3处理和秸秆M2处理相当, 该处理可提高莴笋、白菜、甜玉米产量13.81%、30.27%和15.10%, 说明秸秆还田配施少量化学钾肥可显著提高作物产量, 这与前人的研究成果一致[22-24]。可见, 充分利用秸秆资源不仅可减少钾肥投入, 有效缓解我国钾肥资源不足的问题, 还能避免秸秆燃烧带来的资源浪费问题, 对作物增产具有显著效果。表 1还可见, K2、M2、K1+M1处理对白菜的增产效果一致(增产28.05%—30.27%), M2和K1+M1处理对莴笋的增产效果一致(增产13.89%和13.81%)且高于K2处理, K1+M1处理对甜玉米的增产效果最好(增产15.10%), 表明秸秆还田配施化学钾(K1+M1)模式在供试3种作物生产中具有很好的应用前景。
| 处理 Treatment |
莴笋 Lettuce | 白菜 Cabbage | 甜玉米 Sweet corn | |||||
| 平均产量 Average yield /(kg/hm2) |
钾肥效益 Fertilizer efficiency /(kg/kg) |
平均产量 Average yield /(kg/hm2) |
钾肥效益 Fertilizer efficiency /(kg/kg) |
平均产量 Average yield /(kg/hm2) |
钾肥效益 Fertilizer efficiency /(kg/kg) |
|||
| CK | 35674d | - | 30756d | - | 15233c | - | ||
| K1 | 38355c | 35.7 | 37896c | 95.2 | 16361b | 15.0 | ||
| K2 | 39436b | 25.1 | 39385b | 57.5 | 16798ab | 10.4 | ||
| K3 | 40162ab | 19.9 | 39681ab | 39.7 | 17304a | 9.2 | ||
| M1 | 38826bc | 42.0 | 38412c | 102.1 | 16696b | 19.5 | ||
| M2 | 40628a | 33.0 | 39698ab | 59.6 | 16804ab | 10.5 | ||
| K1+M1 | 40601a | 32.8 | 40065a | 62.1 | 17533a | 15.3 | ||
| 同列不同小写字母表示处理间差异显著(P＜0.05) CK:对照Control; K1:施用75 kg/hm2化学钾肥处理, low doses of chemical potassium fertilizer; K2:施用150 kg/hm2化学钾肥处理, medium dose of chemical potassium fertilizer; K3:施用225 kg/hm2化学钾肥处理, high dose of chemical potassium fertilizer; M1:施用75 kg/hm2秸秆钾肥处理, low dose of straw; M2:施用150 kg/hm2秸秆钾肥处理, medium dose of straw; K1+M1:75 kg化学钾肥+ 75 kg秸秆钾配施处理, low dose of straw with chemical potassium fertilizer | ||||||||
磷脂脂肪酸(phospholipid-derived fatty acids, PLFA)作为微生物的生物标记, 其组成可以反映土壤微生物群落的生物量和结构[25-26]。本研究中, 施用不同种类钾肥处理土壤中共检出18种PLFA, 包括代表细菌的15种14-19碳PLFA, 代表放线菌的10Me17:0和10Me18:0, 代表真菌的18:1ω9c(图 1)。所有处理中, 含量相对较高的PLFA有16:0, i15:0, a15:0, 16:1 ω5c, cy17:0, 18:1 ω9c, cy19:0 ω8c。不同施钾处理均会影响土壤各PLFA含量及种类。K1+M1较CK显著增加饱和脂肪酸(14:0, 16:0)、异构脂肪酸(i14:0, i15:0, i16:0, i17:0)、反义构脂肪酸(a15:0, a17:0)及真菌(18:1 ω9c)的含量(P < 0.05);K2较CK显著增加真菌(18:1 ω9c)的含量(P < 0.05);其他施钾处理土壤各PLFA的含量较CK也具有一定差异, 但不显著。CK和K2各检测出17种PLFA, K1、M2及K1+M1有18种, M1有16种, K3有13种, K3处理后土壤微生物种类有所减少, 可能是施钾量过高易对土壤微生物产生毒害作用。所有施钾处理(K3除外)均较CK显著增加土壤微生物总PLFA含量(P < 0.05), 其中秸秆还田与少量化学钾配施处理(K1+M1)较其余各处理显著增加土壤微生物总PLFA含量(P < 0.05), 增幅分别为70.77%(CK), 40.10%(K1), 44.03%(K2), 74.91%(K3), 41.81%(M1), 30.66%(M2)。综上, 不同施钾处理对土壤微生物均会产生一定影响, 其中, K1、M2及K1+M1处理可增加土壤微生物种类, 且K1+M1处理对土壤微生物总量的增加效果最好。这可能是由于除补充氮磷钾基础营养外, 秸秆在腐解过程中产生大量可被微生物分解利用的碳源, 为微生物的繁殖提供能源。
|
| 图 1 土壤微生物PLFA含量及组成 Fig. 1 Contents and compositions of microbial PLFA in soil PLFA:磷脂脂肪酸, phospholipid-derived fatty acids; CK:对照, Control; K1:施用75 kg/hm2化学钾肥处理, low doses of chemical potassium fertilizer; K2:施用150 kg/hm2化学钾肥处理, medium dose of chemical potassium fertilizer; K3:施用225 kg/hm2化学钾肥处理, high dose of chemical potassium fertilizer; M1:施用75 kg/hm2秸秆钾肥处理, low dose of straw; M2:施用150 kg/hm2秸秆钾肥处理, medium dose of straw; K1+M1:75 kg化学钾肥+ 75 kg秸秆钾配施处理, low dose of straw with chemical potassium fertilizer |
土壤微生物是土壤生态系统的重要组成部分, 影响土壤物质转化及养分循环, 是土壤健康或土壤质量的评价指标[27-28]。表 2可看出, 土壤中细菌、真菌、放线菌、革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌对不同施钾处理表现出不同的响应特征。各施钾处理均较CK显著增加土壤细菌、真菌及革兰氏阳性菌PLFA含量(除K3外)。K1及K1+M1较CK显著增加土壤放线菌的PLFA含量, 而K3显著降低, 表明土壤放线菌适宜在化学钾肥含量较低的土壤中生存。各施钾肥处理均显著提高土壤革兰氏阴性菌PLFA含量。总体上看, K1+M1处理对提高土壤细菌、真菌、革兰氏阳性菌的作用较好, 这与刘骁蒨等[29]的研究结果一致。因为秸秆还田后, 秸秆中的有机物在微生物的作用下分解矿化, 释放出养分或转化为腐殖质, 增加土壤有机质含量[30]。同时, 释放的养分又可促进微生物生长和繁殖, 从而增加土壤微生物数量。
| 处理 Treatment |
细菌 Bacteria |
放线菌 Actinomycetes |
真菌 Fungi |
革兰氏阳性菌 Gram positive bacteria |
革兰氏阴性菌 Gram negative bacteria |
| CK | 28.96c | 1.83b | 2.60c | 18.86c | 10.10c |
| K1 | 34.67b | 2.78a | 3.25b | 21.73b | 12.94b |
| K2 | 34.68b | 2.05ab | 3.10b | 21.63b | 13.05ab |
| K3 | 30.59bc | 0.45c | 2.01c | 18.67c | 11.92b |
| M1 | 35.52b | 1.85b | 3.13b | 24.05b | 11.47b |
| M2 | 38.05ab | 2.22ab | 3.37b | 25.20b | 12.85ab |
| K1+M1 | 48.44a | 2.76a | 5.73a | 34.47a | 13.97a |
| 同列不同小写字母表示处理间差异显著(P＜0.05) | |||||
土壤微生物群落相对丰度可反映土壤微生物生存的生态环境。土壤细菌与真菌比值越低土壤生态系统越稳定, 革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌的比值越大土壤种群的相对丰富程度越高[31]; 而外界胁迫越大, 土壤一般饱和脂肪酸/单烯不饱和脂肪酸的比值越低, 异构PLFA/反异构PLFA比率越高[32]。表 3可知, K1+M1处理较其他处理显著降低细菌/真菌值, 而K3处理较其他处理显著增加细菌/真菌值; M1、M2、K1+M1处理较CK显著增加革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌值; K1+M1处理较单独施化学钾肥处理、利用秸秆钾替代化学钾处理和CK显著增加一般饱和脂肪酸/单烯不饱和脂肪酸值。由此认为, 秸秆还田与少量化学钾配施对土壤微生物生存环境的扰动较小, 进而提高了土壤生态系统的稳定性。
| 处理 Treatment |
细菌/真菌 Bacteria/Fungi |
革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌 Gram positive bacteria /Gram negative bacteria |
一般饱和脂肪酸/单烯不饱和脂肪酸 Normal saturated fatty acid /Monounsaturated fatty acid |
异构PLFA/反异构PLFA Iso phospholipid fatty acid /Anteiso phospholipid fatty acid |
| CK | 11.14b | 1.87b | 1.68b | 2.07a |
| K1 | 10.67b | 1.68b | 1.68b | 2.12ab |
| K2 | 11.19b | 1.66b | 1.37bc | 2.14ab |
| K3 | 15.22c | 1.567b | 1.35bc | 2.15ab |
| M1 | 11.35b | 2.10a | 1.66b | 2.05a |
| M2 | 11.29b | 1.96a | 1.52b | 2.03a |
| K1+M1 | 8.45a | 2.47a | 1.94a | 2.02a |
| 同列不同小写字母表示处理间差异显著(P＜0.05) | ||||
4年3种作物的平均产量与土壤生物学性状相关性分析结果(表 4)表明, 莴笋产量与土壤细菌及革兰氏阴性菌数量呈极显著相关(P < 0.01), 与革兰氏阳性菌呈显著相关(P < 0.05), 与其他微生物指标的相关性不显著(P>0.05);白菜产量与土壤细菌数量呈极显著相关(P < 0.01), 与革兰氏阳性菌及革兰氏阴性菌数量呈显著相关(P < 0.05), 与其他微生物指标的相关性不显著(P>0.05);甜玉米产量与土壤革兰氏阳性菌及革兰氏阴性菌数量呈极显著相关(P < 0.01), 与细菌及真菌数量呈显著相关(P < 0.05), 与其他微生物指标的相关性不显著(P>0.05)。综上, 作物产量与土壤微生物性状之间存在相关性。而不同钾肥处理对土壤微生物特征具有一定影响, 说明施钾处理可能会通过调节土壤微生物特征, 从而促进作物增产。但由于土壤是一个复杂的生态系统, 对作物产量产生影响的环境因子很多(如土壤理化指标、土壤动物等), 因此, 今后应进一步考察不同施钾处理对土壤各环境因子的影响、各环境因子间的关系, 以及它们对作物的共同影响, 最终确定施钾肥影响作物产量的具体机制, 从而指导科学合理施钾肥。
| 微生物性状 Microbial properties |
莴笋产量 Lettuce yield |
白菜产量 Cabbageyield |
甜玉米产量 Sweet corn yield |
| 细菌 Bacteria | 0.616** | 0.554** | 0.631* |
| 真菌 Fungi | 0.395 | 0.336 | 0.437* |
| 放线菌 Actinomycetes | -0.013 | 0.032 | -0.083 |
| 革兰氏阳性菌 Gram positive bacteria | 0.538* | 0.460* | 0.563** |
| 革兰氏阴性菌 Gram negative bacteria | 0.788** | 0.811* | 0.756** |
| *为P < 0.05;**为P < 0.01 | |||
(1) 在施用氮磷肥基础上, 施化学钾肥和秸秆还田均能增加莴笋、白菜、甜玉米4年平均产量, 在种植白菜时可采用单施适量化学钾肥(K2)、单施适量秸秆钾肥(M2)和秸秆还田配施化学钾(K1+M1)模式, 种植莴笋时可采用M2和K1+M1施钾肥模式, 种植甜玉米时应采用K1+M1施钾肥模式。
(2) 不同施钾处理对土壤微生物均会产生一定影响, 以秸秆还田配施化学钾(K1+M1)对提高土壤细菌、真菌、革兰氏阳性菌的作用较好, 可显著增加土壤微生物总PLFA含量, 并减弱对土壤微生物生存环境的胁迫。
(3) 不同施钾肥模式莴笋、白菜、甜玉米4年平均产量与土壤微生物性状间存在相关性, 施用钾肥可能会通过调节土壤微生物特征有利于作物增产。
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